600 MW汽輪機(jī)高壓主、調(diào)速汽閥故障分析與處理

閆福岐，劉 偉，田 穎

(山西兆光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

600 MW汽輪機(jī)高壓主、調(diào)速汽閥故障分析與處理

閆福岐，劉 偉，田 穎

(山西兆光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

通過對NK600-24.2/566/566型超臨界600 MW中間再熱兩缸兩排汽空冷凝汽式汽輪機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生高壓主、調(diào)速汽閥閥桿脫扣和閥座浮起等故障進(jìn)行分析，查找故障原因，并進(jìn)行有效的處理，解決了該類問題，提高了汽輪機(jī)運(yùn)行的可靠性。

超臨界汽輪機(jī)；高壓主汽閥；高壓調(diào)速汽閥；閥桿脫落

0 概述

某廠2期工程，安裝2臺上海汽輪機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的NK600-24.2/566/566型超臨界600 MW中間再熱兩缸兩排汽空冷凝汽式汽輪機(jī)，為193型系列，于2009年9月投產(chǎn)。

該機(jī)高壓缸兩側(cè)分別設(shè)置1個高壓汽室，每個高壓汽室裝有相互垂直布置的1個高壓主汽閥和2個高壓調(diào)速汽閥，即每臺機(jī)組共有2個高壓主汽閥和4個高壓調(diào)速汽閥。

臥式布置的每個主汽閥為“雙閥碟”型結(jié)構(gòu)，包括2個單座非平衡式閥蝶，預(yù)啟閥裝入主閥的內(nèi)部，且預(yù)啟閥與閥桿是整體結(jié)構(gòu)，組成了牢固的組合件。垂直布置的高壓調(diào)速汽閥是單座提升式，各由1只油動機(jī)控制。閥桿與閥門油動機(jī)的活塞桿由如圖1所示的聯(lián)軸器相連接，之間墊有墊片。高壓調(diào)速汽閥閥座高度約79.5 mm，外徑為241.22-241.6 mm，鑲嵌在閥殼凹槽上。

1 高壓調(diào)速汽閥閥桿脫落過程分析與處理

1.1 脫落過程

4號機(jī)組在5年之內(nèi)共出現(xiàn)3次調(diào)速閥閥桿脫落，分別是2010-04-02和2014-10-29的3號高調(diào)門2次、2012-03-05的4號高調(diào)門1次，其主要現(xiàn)象如下。

(1) 輸入閥位開關(guān)指令時，反饋?zhàn)兓羝髁亢蜋C(jī)組負(fù)荷無變化或變化很小。

(2) 閥門出現(xiàn)指令到“0”，但反饋不能完全回到“0”，只能關(guān)到某一位置。如2014-10-29的4號機(jī)組單閥運(yùn)行時，發(fā)現(xiàn)3號高調(diào)閥只能關(guān)至39 %，就地顯示處于全關(guān)位置。

(3) 1號瓦X向振動突漲，由157 μm漲到187 μm，最高能達(dá)到208 μm；2號瓦X向振動由61 μm漲到84 μm,最高能達(dá)到123 μm。

1.2 檢查及處理

為查清閥桿脫落原因，在機(jī)組運(yùn)行中和停機(jī)狀態(tài)下分別對高壓調(diào)速汽閥的支撐、外觀、行程、彈簧等部件進(jìn)行檢查。

(1) 運(yùn)行中檢查發(fā)現(xiàn)閥桿脫開，閥桿與連接桿固定銷切斷，閥門就地處于全關(guān)位置。測量閥桿外露尺寸為65 mm，原始數(shù)據(jù)為40 mm，閥桿與連接桿脫開25 mm，閥桿和連接桿連接螺紋咬死。

處理過程以2014-10-29發(fā)生的3號高調(diào)門故障為例。使用專用螺柱將操縱座的彈簧壓縮5 mm并固定，取出切斷的銷子；緊固連接桿和閥桿，直至緊不動閥桿后，松開專用螺柱將操縱座的彈簧恢復(fù)；使用鎳基焊條(N182-125-10TS02)將連接桿和閥桿連接處焊接。

(2) 停機(jī)后解體高壓調(diào)速汽閥，發(fā)現(xiàn)其情況和運(yùn)行中差不多，不同之處就是閥桿與連接套之間存在間隙。

處理方式采用更換閥桿及組件，同時將閥桿與套加調(diào)整墊環(huán)并旋緊后，鉸孔裝銷子。

1.3 原因分析

綜合運(yùn)行與檢修狀態(tài)檢查情況，發(fā)現(xiàn)高壓調(diào)速汽閥有如下共性：閥桿裝配后距離連接套頂部還有一定間隙；銷子全部斷裂；閥桿螺紋或多或少都受到損傷，尤其是閥桿上連接螺紋在靠近套一側(cè)(即靠近閥桿頂部)損傷嚴(yán)重，同時閥桿連接螺紋上還有咬扣的痕跡。分析原因如下。

(1) 機(jī)組打閘時，在彈簧作用力下，高壓調(diào)速汽閥迅速關(guān)閉，閥蝶與閥座接觸時會產(chǎn)生很大的沖擊力，又由于閥桿頂部與套之間沒有緊密接觸，存在間隙(見圖1)，所以沖擊力全部集中在螺紋上(按照設(shè)計(jì)要求，沖擊力應(yīng)主要由連接套頂部承擔(dān))。作用次數(shù)增多后，螺紋發(fā)生變形，閥桿與連接套發(fā)生相對位移，最終導(dǎo)致銷子被切變形或斷開。

圖1 高壓調(diào)速汽閥和油動機(jī)連接示意

(2) 機(jī)組采用AGC/ACE方式運(yùn)行，高壓調(diào)速汽閥時刻處在調(diào)節(jié)過程中，開和關(guān)交替進(jìn)行。由于閥桿和套之間存在間隙，開關(guān)閥門瞬間沖擊力先傳遞到銷子上，造成銷子出現(xiàn)疲勞損傷、斷裂現(xiàn)象。

(3) 該型機(jī)組高壓調(diào)速汽閥主閥碟固定在主閥桿上，不能自由旋轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)上，2個高壓調(diào)速汽閥共用1個腔室，在高壓調(diào)速汽閥內(nèi)易產(chǎn)生漩渦汽流，從而對主閥芯產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，閥芯帶動閥桿旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步將銷子損壞，并最終導(dǎo)致閥芯及閥桿旋出或螺紋損壞。

1.4 防范措施

(1) 銷子選材上采用45號鋼，適當(dāng)增加銷子直徑，同時在連接套處加裝防轉(zhuǎn)板來克服機(jī)組正常運(yùn)行時閥桿受到的旋轉(zhuǎn)力的作用，以保證閥桿不再脫落。銷子封口要牢固可靠。

(2) 重新裝配閥桿與連接套之間的墊片，確保閥桿能夠旋死與套緊密接觸，并裝好銷子。

(3) 認(rèn)真對閥桿螺紋和連接套內(nèi)螺紋進(jìn)行檢查修理，已損壞嚴(yán)重的要更換相應(yīng)備件。

2 高壓調(diào)速汽閥閥座浮起過程分析與處理

2.1 故障經(jīng)過

2014-05-19，4號機(jī)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)4號高調(diào)閥(GV4)只能關(guān)到15 %，測量閥門行程比原始記錄少5 mm。當(dāng)年6月22日，停機(jī)后對此問題進(jìn)行解體檢查發(fā)現(xiàn)：閥座鑲套的閥座與閥體四周有不均勻的間隙，約3-7 mm；鑲套閥座底部與閥體有不均勻的間隙，約3-5 mm，閥座有不同程度變形，說明閥座已上浮。針對閥座出現(xiàn)的問題咨詢制造單位，綜合考慮后采取臨時處理辦法：用銅棒敲擊閥桿來振打閥座，使閥座盡量歸位，以改善密封線密封情況。采用段焊法，用A302 Φ3.2焊條焊接閥座與閥體，防止閥座運(yùn)行中上浮。

2014-11-30停機(jī)之后，再次發(fā)現(xiàn)4號機(jī)組GV4關(guān)不回去，閥位指示停留在27 %，閥桿外露尺寸為32 mm，比原始數(shù)據(jù)40 mm少8 mm。這說明6月22日臨時焊接處理后，焊點(diǎn)再次開裂，閥座上浮，于是解體4號機(jī)組4個高調(diào)門，發(fā)現(xiàn)如下情況。

(1) GV4閥座損壞嚴(yán)重，接近報(bào)廢(見圖2)。從損壞程度來看，其已經(jīng)在運(yùn)行中發(fā)生圓周旋轉(zhuǎn)，而且因受過大的沖擊損壞多次；同時2根銷子全部斷裂，斷頭已找不到，閥座碎塊和銷子斷頭估計(jì)已進(jìn)入噴嘴室。銷子斷口如圖3所示。

(2) GV3銷子槽成圓弧狀，溝比較深，很光滑，碾掉了一塊。說明閥座在運(yùn)行中也發(fā)生了旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。銷子槽側(cè)向角度發(fā)生變化，倒邊。其中一根銷子斷裂成3截，小的一截?cái)囝^已找不到。

(3) GV2和GV1銷子槽情況稍好，但也變深，很光滑。閥座在運(yùn)行中也發(fā)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，銷子也發(fā)生磨損現(xiàn)象，整體長度不夠。

(4) 4個高調(diào)閥解體后，測量閥座、銷子槽和銷子的幾何尺寸如表1、表2所示。圖4和圖5分

別示出閥座及銷子的幾何形狀。

圖2 GV4閥座不同角度照片

圖3 GV4閥座銷子情況

從表中數(shù)據(jù)來看，閥座外直徑B的幾何尺寸已經(jīng)小于閥座基孔尺寸，說明4個調(diào)門閥座與基孔配合沒有過盈力，運(yùn)行中閥座在基孔內(nèi)存在上下串動和旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖5 高調(diào)閥銷子幾何形狀

2.2 原因分析

(1) 主蒸汽溫度快速下降閥座收縮(2010-07-23，2014-02-28機(jī)組啟動，主蒸汽溫度急劇下降各1次)，閥殼與閥座出現(xiàn)間隙，導(dǎo)致閥座松動。閥座在蒸汽流的作用下產(chǎn)生高頻振動，閥殼與閥座由于高頻振動產(chǎn)生磨損使摩擦力逐漸下降，使得正常運(yùn)行時閥座頻繁動作，高壓調(diào)速閥閥殼與閥座過盈量不能保證設(shè)計(jì)值；當(dāng)摩擦力小于蒸汽推力時，即使在正常運(yùn)行條件下閥座也會產(chǎn)生振動，閥殼與閥座繼續(xù)磨損，閥殼與閥座產(chǎn)生更大間隙，最后導(dǎo)致閥座松動，閥座與閥殼分離，調(diào)節(jié)閥浮起。

表1 4個高調(diào)門解體后閥座、銷子槽的幾何尺寸 mm

表2 4個高調(diào)銷子幾何尺寸 mm

(2) 高壓調(diào)速汽閥基孔加工前，閥座的應(yīng)力時效處理不完善。這致使基孔精加工后，在實(shí)際交變熱應(yīng)力和交變載荷(包括震動載荷)的作用下，基孔發(fā)生熱應(yīng)力(高溫持久應(yīng)力和高溫蠕變應(yīng)力)變形，使基孔與閥座逐步產(chǎn)生間隙，在外力的連續(xù)作用下，間隙逐步擴(kuò)大而使閥座焊道斷裂。

(3) 閥座與基孔安裝時過盈量太小。

2.3 高壓調(diào)速汽閥改造

2014年12月，對4個高調(diào)閥一并進(jìn)行改造。

2.3.1 采用新型閥座

閥座材質(zhì)變更為X10CrMoVNb9-1(原為10325PJ)；閥座結(jié)合處長度比原閥座增加30 mm，為109.5 mm，外徑約244左右mm；閥座配合緊力間隙由0.21 mm增大至0.23 mm；同時對鑲套閥座凹槽用鏜床往深鏜30mm，液氮冷卻新閥座后裝入凹槽內(nèi)，再用定位銷子(直徑：30 mm，材

質(zhì)：C422)固定后施焊。

10325PJ為具有抗氫腐蝕性以及具有較好高溫力學(xué)性能和耐溫蠕變性能的珠光體耐熱鋼。X10CrMoVNb9-1不僅具有高的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能，而且還具有良好的沖擊韌性和高而穩(wěn)定的持久塑性及熱強(qiáng)性能，其高溫持久強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和高溫抗蠕變能力等綜合性能強(qiáng)于10325PJ。因此采用X10CrMoVNb9-1更耐用。

2.3.2 處理工藝

采用鉆削方法將銷子拔出。用專用千斤頂將舊閥座呈向上拉的方式，在舊閥座底部加裝密封板，注入液氮將其快速冷卻，消除過盈量后將閥座拔出。用鏜削機(jī)將高調(diào)閥基孔按照新型閥座尺寸加工至橢圓度、錐度、粗糙度合格。新閥座在液氮中緩冷后浸泡50 min，快速將新閥座放入閥座基孔內(nèi)，用工裝壓板壓緊至閥座恢復(fù)常溫。加工銷孔、檢驗(yàn)密封線、螺塞焊縫，最后檢查管道確保無異物。由于主、調(diào)速汽閥共用一個汽室，主汽閥解體后順其通道才能將新閥座就位。

2.3.3 質(zhì)量控制點(diǎn)及指標(biāo)

(1) 施工前，閥口部位需封堵合格。

(2) 新閥座高度增加30 mm，鏜削機(jī)鏜基孔，加工深度達(dá)30 mm。

(3) 閥基孔鏜削后，孔錐度及橢圓度應(yīng)滿足裝配條件，不超0.05 mm。

(4) 基孔與新閥座過盈量應(yīng)為0.23-0.25 mm。(5) 密封線檢查合格。

2.3.4 運(yùn)行措施

(1) 機(jī)組啟動過程中必須進(jìn)行充分暖機(jī)，尤其是主汽閥與高調(diào)閥切換之前，必須確保左右主蒸汽閥門蒸汽室溫度大于閥前壓力飽和溫度20 ℃以上，防止閥切換時因蒸汽溫度低造成蒸汽帶水導(dǎo)致閥座迅速收縮。

(2) 滑參數(shù)停機(jī)過程中，嚴(yán)格控制減負(fù)荷速率、主汽壓力和主汽溫度下降速率，避免蒸汽溫度反復(fù)升降造成閥殼與閥座頻繁摩擦。如進(jìn)行滑參數(shù)停機(jī)，主蒸汽溫度必須有56 ℃以上的過熱度。

(3) 定期進(jìn)行各主、調(diào)汽閥的活動性試驗(yàn)。確保各主汽閥、調(diào)汽閥開關(guān)靈活，嚴(yán)密性合格，防止機(jī)組停運(yùn)后汽門不嚴(yán)，造成冷水冷汽進(jìn)入閥門室。

(4) 機(jī)組大小修嚴(yán)禁過早拆除汽閥及連接管道的保溫，防止汽閥室溫度的快速下降。

3 高壓主汽閥閥桿斷裂

3.1 斷裂現(xiàn)象及分析

2013-07-08，3號機(jī)組臨修結(jié)束后啟動。在沖轉(zhuǎn)時，1號主汽閥(TV1)逐漸全開，2號主汽閥(TV2)開度13 %，兩側(cè)主汽閥開度偏差大于85 %超過正常值。就地檢查TV1執(zhí)行機(jī)構(gòu)顯示其為全開位置，初步分析判斷為沖轉(zhuǎn)參數(shù)偏低，沖轉(zhuǎn)汽量不足導(dǎo)致主汽閥開度過大。于是汽機(jī)打閘后加強(qiáng)鍋爐燃燒，再次沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)。

并網(wǎng)1.5 h后發(fā)現(xiàn)，3號機(jī)組主汽壓力較實(shí)際滑壓壓力偏高5 MPa左右。對比2個主汽閥工況后發(fā)現(xiàn)如下情況：

(1) 就地檢查3號機(jī)組TV1，TV2閥桿位置均在全開位，但比較發(fā)現(xiàn)TV1就地過汽聲明顯較TV2偏?。?/p>

(2) 在DCS畫面上檢查發(fā)現(xiàn)，TV1，TV2進(jìn)汽溫度與閥體溫度偏差較大(見表3)。

機(jī)組正常運(yùn)行中主汽閥進(jìn)汽溫度與閥體溫度偏差應(yīng)在10 ℃左右，但表3中TV1的偏差達(dá)到90 ℃。結(jié)合就地主汽閥過汽聲音的差異，同時主汽壓力較滑壓壓力偏高5 MPa，綜合判斷TV1閥桿確實(shí)發(fā)生斷裂；就地機(jī)械位置全開，但實(shí)際閥門在全關(guān)位置。

表3 TV1，TV2進(jìn)汽溫度與閥體溫度對比 ℃

3.2 臨時處理措施

機(jī)組已經(jīng)啟動，若停機(jī)處理主汽閥閥桿斷裂，將造成機(jī)組非停，同時閥桿備件需20天時間才能到位，于是嘗試運(yùn)行中采取措施將閥門開啟。

3號機(jī)組主汽閥為水平布置，并網(wǎng)后主汽閥在全開位置，高壓調(diào)速汽閥調(diào)整負(fù)荷。TV1閥桿斷裂后，TV1閥體實(shí)際在關(guān)閉位置，對應(yīng)的GV1，GV3在中間位置，主汽閥前進(jìn)汽區(qū)為高壓側(cè)；主汽閥后由于調(diào)門開啟泄壓為低壓側(cè)，主汽閥桿腔室與閥桿漏氣聯(lián)通也為低壓側(cè)。由于主汽閥閥體前為高壓，閥體后為低壓，閥體被兩側(cè)汽差壓壓死，不會動作。

如果將TV1對應(yīng)的2個高調(diào)閥GV1，GV3全部關(guān)閉，那么主汽閥后調(diào)門室壓力將升高，由低壓區(qū)變?yōu)楦邏簠^(qū)，此時，主汽閥閥體前后汽壓差減小或基本相同，而主汽閥桿腔室內(nèi)仍為低壓側(cè)。這種情況下，閥桿斷裂的主汽閥有可能在主汽閥后與主汽閥桿腔室汽壓差壓的作用下自然開啟。

按照上述思路和方法，成功將TV1開啟正常，并維持機(jī)組運(yùn)行到2013-11-08，3號機(jī)組按調(diào)度要求停機(jī)備用，隨即進(jìn)行TV1閥桿檢查更換工作。

4 高壓主汽閥閥殼與閥座密封焊開裂

2014年12月，4號機(jī)組停機(jī)備用時處理高壓調(diào)速汽閥閥座浮起故障。解體高壓主汽閥后發(fā)現(xiàn)，高壓主汽閥閥殼(材質(zhì)：10315AP)與閥座(材質(zhì)：12Cr2Mo)環(huán)向密封焊接部分開裂。其中TV1開裂約330°，TV2全部開裂為360°。

分析原因與機(jī)組受到打閘時的沖擊力和大幅度溫度變化有關(guān)。與制造廠家溝通后，用E309-16(A302)Φ3.2焊條焊接。焊接前，用氧乙炔火焰局部均勻加熱至200 ℃，測溫位置離焊接區(qū)不少于50 mm；焊接過程中層間溫度不得低于200 ℃，不得高于260 ℃，角焊縫尺寸不小于3 mm；焊后立即加熱到250 ℃，然后在保溫下緩慢冷卻至室溫。密封焊縫按PS84350KD滲透檢驗(yàn)(PT)或者相應(yīng)的電力標(biāo)準(zhǔn)滲透探傷，同時需滲透探傷檢查閥座硬質(zhì)合金面。

5 結(jié)束語

通過分析該型汽輪機(jī)主、調(diào)汽閥4種異常工況，并分別采取了臨時和正式措施進(jìn)行處理，恢復(fù)了機(jī)組正常運(yùn)行。但由于高參數(shù)大容量機(jī)組閥門關(guān)閉過程中受到的瞬間沖擊力非常大，后續(xù)考慮：

(1) 是否在啟動過程中減少打閘試驗(yàn)；

(2) 計(jì)劃停機(jī)時，在機(jī)組無蒸汽運(yùn)行允許時間以及機(jī)組振動合格情況下，通過熱控邏輯關(guān)系逐個關(guān)閉主、調(diào)汽閥，以減少汽閥關(guān)閉時的沖擊力。

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2016-01-19；

2016-07-26。

閆福岐(1968-)，男，工程師，主要從事火電廠設(shè)備運(yùn)行與檢修管理工作，email：yanfuqi2004@126.com。

劉 偉(1991-)，男，助理工程師，主要從事火電廠集控運(yùn)行工作。

田 穎(1991-)，女，助理工程師，主要從事火電廠集控運(yùn)行工作。